局部水头损失

第#期
万五一 ! 等" 局部水头损失对流体瞬变的影响及其数值模拟
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"# 力参数的影响 ! O ) ’ 5 0 * A + * ’等人 ! 对微灌系统的局
数的范围过大 $ 在恒 定 流 计 算 时 通 常 将 局 部 水 头 损 失和沿程水头损失放在一起考虑 = 局部 水 头 损 失 是 非 连 续 分 布 的 $ 如果管道的连 接和断面变化频繁 $ 则数值计算的边界非常繁琐 = 水 击特征线计算方法 是 广 泛 应 用 的 数 值 模 拟 算 法 $ 该 但这$ 方法 以 水 流 的 连 续 方 程 和 动 量 方 程 为 基 础 $ 个方程在推导过程 中 只 包 含 了 沿 程 水 头 损 失 $ 没有 包含局部水头损失 对 非 恒 定 流 的 影 响 = 如何考虑局 关键在于把局 部水头损失对管道 流 体 瞬 变 的 影 响 $ 部水头损失引入到 瞬 变 流 计 算 的 能 量 方 程 中 $ 并且 保证原有的数学计算模型的通用性 =
所需消耗的水头 $ 减小管路的输水能力 $ 是管道过水 由于局 能力设计和校核计 算 必 须 考 虑 的 重 要 因 素 =
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并分析输水管线中弯管局部水头损失对其附近的水
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$! 瞬变流模拟的基本原理
瞬变流的计算经历了公式法 & 图解法 & 特征线法 其中特征线方法具有精度 和有限元法等几个 阶 段 =
"# 高& 结构简单以及易 于 编 程 等 特 点 = ‘ , 2 0等 人 # 对 8
该方法进行了系统 阐 述 和 推 广 = 随着计算机技术的 该方法在封闭 管 道 的 流 体 瞬 变 模 拟 中 得 到 了 发展 $ 最广泛的应用 = 流体瞬变计算的基本方程包括连续方程和动量 方程 = 其中有 $ 个 因 变 量 $ 即速度和水力坡度线高 度! 即 断 面 位 置 和 时 间= 虽然这$个方 $个 自 变 量$ 但无法获得这$个 程完整地描述了流 体 运 动 规 律 $ 双曲偏微分方程的 解 析 解 = 特征线法首先通过规定 的积分路径将方程 转 换 为 常 微 分 方 程 $ 然后将这些 方程离散成差分形 式 $ 通过差分方程求解瞬变流的 数值解 = 经过特征线路径积分并离散成差分格式的等价 方程组为
局部水头损失对流体瞬变的影响及其数值模拟
万五一"! 胡云进"! 李玉柱$
" 浙江大学 水利与海洋工程学系 $ 浙江 杭州 D 清华大学 水利水电工程系 $ 北京 " # "= " % % $ #& $= % % % U ! 摘 ! 要 #为了分析由水流内部结构发生变化而导致的局部水头 损 失 对 流 体 瞬 变 压 力 分 布 的 影 响 $ 通过增加约束方 程和引入能量损失修正系数 $ 建立节点法和均分法 $ 种 包 含 局 部 水 头 损 失 的 流 体 瞬 变 计 算 模 型 = 采用数学模型对 考虑局部水头损失情况下的流体瞬变进行数值模拟 $ 得 到 等 效 节 点 瞬 变 压 力 变 化 过 程’ 压力管道沿线最大水击压 局部水头损失比重对沿程最大瞬变压力分布的干扰以及局部水头损失 呈 多 点 离 散 分 布 对 沿 程 最 大 瞬 力的包络线 ’ 变压力分布的影响 = 结果表明 $ 局部水头损失会导致附近的瞬变压力和压力包络 线 的 分 布 发 生 局 部 改 变 $ 但通常不 会影响整个系统的最大瞬变压力值 & 对于所占比重较 小 并 且 呈 离 散 分 布 的 局 部 水 头 损 失 $ 采用修正系数法能够对 压力管道的最大瞬变压力进行等价模拟 = 关键词 #局部水头损失 & 压力管道 & 流体瞬变 & 数值模拟 中图分类号 # # T< $ # $= ?!!!!! 文献标识码 #N!!!!! 文章编号 # " % % U F # D V" $ % % # % # " " ! U % ?
基金项目 #中国博士后科学基金资助项目 " # $ % % ! % D ? $ C ! = 作者简介 #万五一 " $ 男$ 湖南安乡人 $ 博士生 $ 主要从事管道输水的非恒定流研究 = %@ " F # ?H # 9 K L + 2 , + * @ ( 2 (= 0 B (= ; * !A 8 1 通讯联系人 % 胡云进 $ 男$ 副教授 = % 9 K L + 2 , / ( ( * 2 *! 7 6 2 * / ( + = ’ ) = ; * 8 1 3 3
第! " 卷第 # 期 $ % % #年#月
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工学版 " 浙! 江 ! 大 ! 学 ! 学 ! 报!
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是目前用来模拟管道流体
瞬变的普遍方法 $ 由于该方法在微元推导中没有考 虑局部水头损失 $ 方程的阻力项中只包含沿程水头 损失而未包含局部 水 头 损 失 = 在有压管道的流体瞬 变计算中 $ 局部水 头 损 失 对 水 力 瞬 变 的 影 响 通 常 被 忽略 = 为了探究局部 水 头 损 失 对 管 道 流 体 瞬 变 过 程 的影响 $ 在原有水击特征线数值计算方法的基础上 $ 通过加入局部水头损失约束方程和引入能量损失修 正系数 $ 建立包含 局 部 水 头 损 失 的 流 体 瞬 变 模 拟 方 法% % % 节点法和均 分 法 = 利用这$种方法将局部水 并比较$ 头损 失 引 入 到 长 管 道 水 力 瞬 变 的 计 算 中 $ 种方法的适用性和 准 确 性 = 通过计算分析局部水头 损失对瞬变过程和 瞬 变 压 力 的 影 响 $ 并研究局部水 头损失的比重和分布对管路最大水击压力及其分布 的影响 =
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( ") !! 局部水头损失 是过流断面形状和方向发 生突 变而导致的流体能 量 损 失 $ 它在恒定流中增加流体
部水头损失的大小 难 以 准 确 计 算 $ 通常采用模型试 验和经验系数来模 拟 管 道 的 局 部 水 头 损 失 = 贺益英
$ K D) 等人 ( 通过试验研究了弯管的局部水头损失系 数 $
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部水 头 损 失 进 行 了 试 验 研 究 ! 林大钧等人
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对管道
相交处的几何形状与局部水头损失系数的关系进行 了研究 ! < + , 2 + * 7 A + 6 通过考虑局部水 头 损 失和 沿程 水头损失的关系对威斯 达西 公式 进 行 了改 进 = 这些 K 研究分析了不同结构的局部水头损失系数的取值问 题以及在 恒 定 流 情 况 下 局 部 水 头 损 失 对 水 流 的 影 但局部水头损失 在 流 体 瞬 变 中 的 影 响 还 需 进 一 响$ 步研究 = 特征线数值方 法